IL COMPORTAMENTO NEL TEMPO E LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO

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1 Indice PREFAZIONE IL COMPORTAMENTO NEL TEMPO E LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO 1.1. Degrado delle strutture in cemento armato Decalcificazione Attacco solfatico Gelo-disgelo Carbonatazione Corrosione delle armature Attacco da cloruri Degrado per Delayed Ettrincite Formation (DEF) Effetti del fuoco Degrado del calcestruzzo armato immerso in acqua marina Cenni statistici sul degrado La rottura del calcestruzzo armato Rottura fragile Rottura duttile IL RISANAMENTO DEL CALCESTRUZZO ARMATO 2.1. Considerazioni introduttive sul problema del risanamento delle strutture in cemento armato I materiali nel risanamento Premessa Le armature di rinforzo I materiali di riporto I materiali di protezione Gli inibitori Le malte preconfezionate I collanti I formulati epossidici Le resine epossidiche Gli indurenti I diluenti e le cariche Impiego delle resine nell edilizia civile ed industriale METODOLOGIE DI INTERVENTO 3.1. La preparazione delle superfici

2 6 INDICE Valutazione della superficie Metodi di prova per l idoneità del supporto cementizio Prova per la determinazione della presenza d acqua in eccesso Test per la valutazione della presenza di strati di calcestruzzo con carbonatazione Le superfici in calcestruzzo Le superfici metalliche Considerazioni sulla preparazione dei supporti nell impiego di resine epossidiche Le iniezioni in lesioni Le riparazioni del copriferro Ripristino delle armature metalliche Beton-plaqué Metodo del cassero metallico Rivestimenti e protezioni di strutture in cemento armato Cenni sul consolidamento e la protezione di strutture in cemento armato sommerse LA PROTEZIONE DEL CALCESTRUZZO ARMATO 4.1. Il calcestruzzo Tecniche per la protezione del calcestruzzo armato La protezione delle barre La protezione catodica I rivestimenti protettivi Elementi determinanti il degrado L acqua elemento determinante del degrado I rivestimenti protettivi e gli elementi che li caratterizzano Crack-bridging ability (CBA) La progettazione di un sistema resinoso protettivo I COMPOSITI FIBROSI (FRP) IN MATRICE POLIMERICA PER IL RINFORZO STRUTTURALE 5.1. Dall aeronautica al risanamento strutturale Le fibre I nastri ed i tessuti I pre-impregnati Le metodologie applicative Impregnazione in cantiere di tessuti e nastri Placcaggio dei pre-impregnati Vantaggi e svantaggi nell impiego dei compositi fibrosi GLI ELEMENTI STRUTTURALI E IL LORO CONSOLIDAMENTO 6.1. Premessa

3 INDICE Pilastri Travi Nodi Solai Scale METODOLOGIE DI CALCOLO 7.1. Premessa Simbologia e valori caratteristici ammissibili Rinforzo in zona tesa di trave a sezione rettangolare doppiamente armata Campi di rottura Progetto della piastra di rinforzo Rinforzo in zona compressa di una trave inflessa Rinforzo di pilastro sottoposto a sforzo normale centrato Interventi di frettaggio per l incremento della resistenza a compressione di un pilastro Verifica dei nodi e dei pilastri presso-flessi Rinforzo di solai misti con laterizi, ad armatura parallela Verifica dei travetti per intervento di rinforzo in zona compressa Verifica a taglio delle piastre di rinforzo Duttilità Duttilità di una sezione rettangolare a doppia armatura e piastra di rinforzo ESEMPI DI CALCOLO 8.1. Trave a sezione rettangolare doppiamente armata Calcolo della sezione della piastra di rinforzo per incremento del momento flettente Calcolo della sezione della piastra di rinforzo per una trave con armatura in zona tesa compromessa dalla ossidazione ESPERIENZE DI LAVORO 9.1. Risanamento di un solazio degradato Risanamento di un edificio danneggiato da un incendio Esperienza di lavoro di adeguamento statico di edificio da destinarsi a CED GUIDA ALL USO DEL PROGRAMMA DI CALCOLO Bibliografia

4 CAPITOLO 1 IL COMPORTAMENTO NEL TEMPO E LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO 1.1. DEGRADO DELLE STRUTTURE IN CEMENTO ARMATO Fino a non molti anni fa si riteneva che una struttura in cemento armato fosse praticamente inalterabile nel tempo. La pratica quotidiana ha dimostrato che la realtà è ben diversa in quanto molte strutture in calcestruzzo armato del passato hanno manifestato segni di degrado. Col termine degrado del calcestruzzo, si raggruppano tutti quei segni di decadimento che portano ad una riduzione dei coefficienti di sicurezza iniziali tale, da imporre opere di risanamento o di adeguamento. Possiamo distinguere le cause di degradazione del calcestruzzo in: cause dovute all azione disgregativa degli agenti atmosferici, in particolare nebbie marine o industriali; cause dovute ai cambiamenti delle situazioni di esercizio rispetto a quelle previste in fase progettuale, come aumenti di sovraccarichi statici o dinamici, urti, incendi, azioni dinamiche dovute a movimenti tellurici. Indipendentemente dalle cause che lo hanno prodotto, il degrado si presenta sotto due forme: a) disgregazione superficiale o sostanziale del conglomerato con o senza deformazione o ossidazione delle armature esistenti; b) presenza di stati fessurativi (lesioni) che interessano l intera sezione della struttura o parte di essa. Questi aspetti del degrado sono strettamente legati tra loro e tendono ad esaltarsi l un l altro. L approccio fenomenologico del degrado delle strutture in cemento armato, parte dalle deformazioni interne e classifica in due gruppi gli aspetti della degradazione strutturale: degradazione e fessurazione del conglomerato cementizio; corrosione delle armature. I due fenomeni sono reciprocamente causativi.

5 16 CAPITOLO 1 Le armature sono coinvolte da un solo processo di degrado: la corrosione, i cui prodotti determinano un effetto distruttivo sul calcestruzzo. Le diverse cause del degrado del calcestruzzo armato, possono evidenziarsi attraverso i diversi processi che lo hanno determinato: chimici, fisici, elettrochimici, biologici, eventi naturali, accidentali, strutturali Decalcificazione La decalcifìcazione del cemento armato è dovuta alle acque piovane dolci o leggermente acide. Essa produce un aumento della porosità creando condizioni più favorevoli alla penetrazione di agenti aggressivi all interno della struttura ed una perdita della resistenza a compressione. Il cemento, a contatto con acqua piovana povera di sali, perde calce per idrolisi. A 20 C la solubilità del Ca(OH) 2 è di 1,6 g per litro d acqua. Quando in una zona della struttura la concentrazione di idrossido di calcio in soluzione supera il valore della concentrazione in una zona adiacente, la calce migra dalla zona a più alta concentrazione a quella a più bassa concentrazione. Se, come avviene in un calcestruzzo permeabile, si ha un continuo rinnovo dell acqua, per effetto del dilavamento della pioggia sulle zone esterne, si avrà un flusso continuo di materiale dall interno verso l esterno, la cui entità andrà aumentando con l ampliarsi dei capillari per la progressiva perdita di calce. La perdita di resistenza meccanica, conseguenza dell aumentata porosità, comporta una diminuzione della resistenza a compressione intorno all 1 2% per ogni 1% del contenuto originale di calce di idrolisi asportata per dilavamento.

6 CAPITOLO 3 METODOLOGIE DI INTERVENTO 3.1. LA PREPARAZIONE DELLE SUPERFICI Il successo degli interventi di risanamento dipende direttamente dalle condizioni delle superfici sulle quali i materiali impiegati verranno applicati. L intera superficie del substrato deve essere meticolosamente pulita. La superficie deve essere preparata in modo da assicurare che essa venga bagnata dal prodotto e che l adesione venga a formarsi sul substrato e non su un qualunque materiale estraneo che per caso si trovi sul substrato stesso. Il metodo o la combinazione di metodi usati per la preparazione della superficie dipende dal tipo, dall estensione e dalla posizione della applicazione, come pure dal tipo di substrato da trattare. La rimozione del calcestruzzo in superficie, se necessaria, va effettuata con mezzi meccanici idonei. Tutte le superfici devono essere accuratamente pulite onde eliminare tutte le sostanze che possano nuocere all adesione. Come risulterà più chiaro nel seguito di questa trattazione, il supporto e quanto su di esso si andrà ad incollare interagiscono tra loro, nel senso che si avranno scambi di sollecitazioni meccaniche da una parte e dall altra. Pertanto la preparazione delle superfici deve essere tale affinché si abbia la perfetta adesione dei materiali impiegati negli interventi di risanamento Valutazione della superficie Una buona esecuzione non può essere ottenuta con un supporto debole o poco resistente essendo così il supporto stesso causa di rottura. Tuttavia, come già detto, anche se il substrato è resistente e sano, se le superfici non sono adeguatamente preparate si avranno cattivi risultati.

7 METODOLOGIE DI INTERVENTO 61 Fig Fase di iniezione di formulati epossidici in strutture lesionate resine pure. Solo per iniezioni in grosse fessure, o per intasamenti di cavi di precompressione vengono impiegate resine caricate con particolari fillers. Elementi riparati mediante iniezioni, e soggetti a condizioni di carico simili a quelle che avevano causato il danno, hanno mostrato sempre l apertura di nuove lesioni, come detto, adiacenti alla zona iniettata. Comunque, in genere, il meccanismo di rottura della struttura non è alterato da tali interventi di restauro. Se l intervento, quindi, ha pieno successo, la resistenza originale dell elemento può considerarsi completamente recuperata. Possono verifìcarsi casi in cui il recupero strutturale è valutabile intorno al 70 80%: infatti il materiale iniettato può non aver riempito completamente la lesione, ed inoltre l iniezione non sempre riesce a ricostituire il legame di aderenza tra calcestruzzo ed armatura nei punti dove i cicli di deformazione relativa hanno ridotto il calcestruzzo in polvere costituendo una barriera alla penetrazione del materiale iniettato. Tale difetto, oltretutto, non è rilevabile ad un esame non distruttivo della struttura, anche se tecnici esperti possono desumerlo dall andamento della operazione di iniezione.

8 62 CAPITOLO 3 Fig Fase di iniezione di formulati epossidici in strutture lesionate Piccole lesioni non riparate e perdita del legame calcestruzzo-armature comportano in genere una minore rigidezza del sistema strutturale rispetto all originale. È importante ancora evidenziare che il comportamento degli elementi riparati è fortemente influenzato dal modulo elastico del materiale iniettato. Un modulo elevato, infatti, può comportare, soprattutto in lesioni non sottili, pericolose concentrazioni di tensioni, mentre un modulo molto basso può diminuire la rigidezza elastica dell elemento. In conclusione, si può osservare che, essendosi rilevati dei danni, la struttura originale potrebbe non garantire una sufficiente resistenza, per cui risulta necessario valutare l ipotesi di rinforzare la struttura mediante altri interventi LE RIPARAZIONI DEL COPRIFERRO Quando il danno alla struttura in cemento armato investe solo il calcestruzzo di copriferro, lesionandolo e sfarinandolo, con o senza la ossidazione dei ferri di armatura, la tecnica di risanamento prevede l asportazione del calcestruzzo ammallorato fino ad arrivare a zone meccanicamente solide, la disossidazione dei ferri di armatura con il trattamento anticorrosivo degli stessi mediante formulati epossidici e il ripristino della sezione originaria della struttura.

9 CAPITOLO 7 METODOLOGIE DI CALCOLO 7.1. PREMESSA Come più volte ricordato gli interventi sulle strutture tendono essenzialmente ad aumentare la duttilità, ma alcune tecniche di rinforzo permettono inoltre un incremento delle capacità flessionali modificandone in genere anche le rigidezze. Gli interventi che consentono di migliorare la duttilità, sono generalmente tesi a fasciare la struttura con camicie di lamiera o con strutture di carpenteria metallica calastrellata o ad aumentare le dimensioni mediante incamiciatura armata di calcestruzzo. Per il ripristino delle caratteristiche meccaniche degli elementi strutturali risanati (resistenza, rigidezza, ecc.) divenute insufficienti in seguito a danni oppure a nuove impreviste condizioni di carico, è richiesta la collaborazione statica dei nuovi materiali incorporati con quelli preesistenti. Di conseguenza, indipendentemente dalla scelta della tecnologia restaurativa e dei materiali impiegati, il successo del consolidamento dipende principalmente dal grado di monoliticità raggiunto tra le sezioni a contatto. Un accurata preparazione dei supporti ed un attenta esecuzione della tecnica di consolidamento eliminano in pratica la discontinuità delle interfacce. La resistenza offerta dagli elementi strutturali risanati supera spesso quella originaria, anche a parità di sezione iniziale. Ciò è da attribuire alle migliori caratteristiche meccaniche dei materiali impiegati nei ripristini strutturali, ed in parte agli sforzi relativamente ridotti cui essi vengono sottoposti a consolidamento effettuato. La puntellatura, laddove viene fatta, può non eliminare del tutto i carichi permanenti agenti sulla struttura. Così l impegno statico dei materiali nuovi, integrativi di quelli preesistenti, risulta inferiore nella condizione di esercizio successiva al risanamento. Conseguentemente il calcolo delle sezioni parzialmente danneggiate e restaurate con l aggiunta di nuova armatura, deve es-

10 108 CAPITOLO 7 sere condotto prendendo in considerazione la deformazione dell armatura preesistente. Una corretta impostazione del problema della sicurezza delle strutture intelaiate in cemento armato risanate deve tener presente tutti gli aspetti del comportamento della costruzione, in relazione alle modalità di risanamento adottate. Ciò in quanto il comportamento della struttura risanata può risultare variamente differenziato rispetto a quello della struttura originaria in funzione dell intervento di consolidamento adottato. Quanto detto è maggiormente messo in rilievo nei casi in cui si vogliano applicare dei rinforzi locali, le variazioni brusche di sezione (geometria, materiali, armature) e le concentrazioni di deformazioni imposte possono diminuire la resistenza globale della struttura a sollecitazioni cicliche. Se il rinforzo è esteso a tutto un elemento strutturale, l aumento della sua rigidezza può comportare una ridistribuzione delle sollecitazioni tale da richiedere il proseguimento e l estensione del rinforzo a parti della struttura che non siano state danneggiate. Come già detto, in linea di principio, le caratteristiche sismiche relative a resistenza, rigidezza e duttilità (e smorzamento), specialmente a flessione, si possono dedurre dalle caratteristiche statiche, a certe condizioni. Difatti è in genere accettato che i diagrammi momento-curvatura per carichi monotoni siano le curve d inviluppo per carichi ripetitivi, almeno per un notevole numero di cicli successivi. Il calcolo delle sezioni può essere eseguito col metodo delle tensioni ammissibili, tenendo presente che al momento dell applicazione dei materiali di rinforzo, la struttura è caricata dalle sollecitazioni relative al carico permanente. Col metodo delle tensioni ammissibili, la sicurezza di una sezione viene realizzata verificando che le tensioni indotte dai carichi, calcolate ipotizzando il comportamento elastico dei materiali, risultino sempre inferiori alle relative tensioni ammissibili, cioè al valore delle tensioni a rottura ridotte di un opportuno coefficiente. Col metodo di calcolo semiprobabilistico allo stato limite a rottura, che ipotizza il comportamento plastico della struttura, si tiene conto anche di una possibile deformazione plastica della struttura senza che però si generi crisi. Tale metodo è in grado di dare l esatto legame fra le sollecitazioni esterne e la resistenza dei materiali in caso di crisi della struttura, per cui è possibile scongiurarne il crollo, pur ipotizzando un suo possibile danneggiamento. Nello studio di un intervento di rinforzo e quindi delle lamiere o dei profilati da impiegare è bene non eccedere con gli spessori; la struttura deve possedere dopo il rinforzo una duttilità tale da consentire sensibili deformazioni sotto l azione dei carichi esterni senza indurre indebolimenti nelle strutture vicine, dove non si è operato alcun intervento di risanamento.

11 METODOLOGIE DI CALCOLO 109 Le metodologie di calcolo sviluppate nei prossimi paragrafi, sono collegate ai diversi elementi strutturali e per ognuno di essi alla diversa tipologia di intervento ed alla sua collocazione (zona tesa, zona compressa, ecc.) Simbologia e valori caratteristici ammissibili 1) SIMBOLI A area E modulo di elasticità longitudinale I momento di inerzia N forza normale W modulo di resistenza b larghezza d altezza utile f resistenza di un materiale h altezza totale della sezione l lunghezza di un elemento x altezza dell asse neutro y altezza del diagramma rettangolare delle tensioni normali z braccio delle forze interne γm coefficiente parziale di sicurezza ε dilatazione ς percentuale geometrica di armatura σ tensione normale τ tensione tangenziale ø diametro di una barra o di un cavo Σ sommatoria 2) INDICI c calcestruzzo s acciaio u stato limite ultimo ε deformazione y snervamento 3) SIMBOLI FREQUENTI calcestruzzo f cd R ck resistenza di calcolo a compressione del calcestruzzo resistenza caratteristica cubica